[論文レビュー] Anomalous Magnetic Properties of Sr2YRuO6

R. P. Singh, C. V. Tomy|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2008

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、Sr₂YRuO₆に32 Kおよび27 Kの周辺で2つの明確な磁気的秩序転移が観測されたが、磁性を持つのはRu⁵⁺のスピンのみである。2つの成分は磁場に対して逆方向に整列し、2番目の転移によって磁化反転とヒステリシスが生じ、強磁性と反強磁性に類似した秩序が共存していることを示している。比熱測定では二重ピークが観察され、2つのエントロピー駆動の転移が確認された。

ABSTRACT

Anomalous magnetic properties of the double perovskite ruthenates compound Sr2YRuO6 are reported here. Magnetization measurements as a function of temperature in low magnetic fields show clear evidence for two components of magnetic order (TM1 ~ 32K and TM2 ~ 27K) aligned opposite to each other with respect to the magnetic field direction even though only Ru5+moments can order magnetically in this compound. The second component of the magnetic order at TM2 ~ 27K results only in a magnetization reversal, and not in the negative magnetization when the magnetization is measured in the field cooled (FC) mode. Isothermal magnetization (M-H) measurements show hysteresis with maximum coercivity (Hc) and remnant magnetization (Mr) at T ~ 27 K, corroborating the presence of the two oppositely aligned magnetic moments, each with a ferromagnetic component. The two components of magnetic ordering are further confirmed by the double peak structure in the heat capacity measurements. These anomalous properties have significance to some of the earlier results obtained for the Cu-substituted superconducting Sr2YRu1-xCuxO6 compounds.

研究の動機と目的

• Sr₂YRuO₆に見られる異常な磁気的性質の起源を解明すること。これは、磁性を持つのはRu⁵⁺イオンのみの二重perovskiteである。
• 観察された磁気的転移と、磁性を示さない希土類元素イオンの欠如との間に生じる矛盾を解消すること。
• Ru⁵⁺イオン間の競合する超交換相互作用（σおよびπ経路）が、二重磁気的秩序を説明できるかどうかを検証すること。
• 等温M-H測定で観察された磁化反転およびコーエリビティの性質を明確にすること。
• これらの発見が、CuドープされたSr₂YRu₁₋ₓCuₓO₆化合物における超伝導挙動にどのように関連するかを評価すること。

提案手法

• 1.8 Kから300 Kの範囲で、さまざまな磁場下でゼロ場冷却（ZFC）および磁場冷却（FC）磁化測定を実施した。
• 2つの磁気的転移に近い温度で等温磁化（M-H）等温線を測定し、ヒステリシスおよびコーエリビティを調査した。
• 1.8–300 Kの範囲で、緩和法を用いて比熱を測定し、相転移およびエントロピー変化を検出した。
• X線回折とリートベルト解析により、多結晶試料の単斜晶構造（空間群P2₁/n）および相純度を確認した。
• 酸素、空気、アルゴンの雰囲気でアニール処理を施し、酸化状態や不純物に起因する磁気的挙動への影響を除外した。
• 理論的解析では、Ru⁵⁺イオン間の競合するσ超交換（Ru-O-O-Ru）およびπ超交換（Ru-O-Y-O-Ru）経路を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜSr₂YRuO₆は、磁性を持つのはRu⁵⁺のスピンのみであるにもかかわらず、約32 Kおよび27 Kで2つの明確な磁気的秩序転移を示すのか？
• RQ2 27 K未満のFC測定で観察される磁化反転の原因は何か？ なぜZFCモードでは負の磁化を示さないのか？
• RQ3 27 K近辺で観察されるヒステリシスおよび高いコーエリビティは、Ru⁵⁺イオンのみが磁気的秩序に寄与している場合にどのように説明できるのか？
• RQ4 比熱に二重ピーク構造が観察される原因は何か？ 2つの転移はどのように磁気的エントロピー変化に関連しているか？
• RQ5 観察された磁気的異常は、異なる酸素経路を通じたRu⁵⁺イオン間の競合する超交換相互作用に起因するものとみなせるか？

主な発見

• 磁化測定および比熱測定により、Tₘ₁ ≈ 32 KおよびTₘ₂ ≈ 27 Kで2つの明確な磁気的秩序転移が確認された。
• 約27 Kの2番目の転移により、FCモードで磁化反転が発生し、2番目の磁気的成分が最初の成分および外部磁場に対して反平行に整列した。
• T ≈ 27 KにおけるヒステリックなM-H等温線は、最大のコーエリビティ（Hc）および残留磁化（Mr）を示し、両方の磁気的相に強磁性成分が存在することを示している。
• 比熱は32 Kおよび27 Kに明確なピークを示し、2つの独立した磁気的転移と顕著なエントロピー変化が確認された。
• 磁化反転はスピンガラス的挙動に起因するものではなく、熱力学的に可逆的かつ異なるアニール雰囲気で再現可能である。
• 観察された挙動は、従来のフェリ磁性秩序では説明できない。Ru⁵⁺は唯一の磁性イオンであり、モスバウアー測定により+5酸化状態が確認された。